DE19638260A1 - Circuit for controlling magnetic coils esp. for solenoid valves - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung von Magnetspulen, insbesondere für Magnetventile, mit einem in Reihe zur Magnetspule geschalteten, diese während eines vorgeb baren Zeitintervalls ab dem Beginn eines Schaltsignals mit ei nem hohen Anzugsstrom beaufschlagenden Halbleiterschalter, und mit einem dieses Zeitintervall vorgebenden und danach eine Um schaltung auf einen verringerten Haltestrom für die Magnetspule vornehmenden Zeitglied.The invention relates to a circuit arrangement for control of solenoids, especially for solenoid valves, with an in Row connected to the solenoid, this during a predetermined time interval from the start of a switching signal with egg Nem high semiconductor current switch, and with a predetermined this time interval and then a Um switching to a reduced holding current for the solenoid making timing element.
Insbesondere wenn Magnetventile bzw. Magnetspulen zu Ventil gruppen zusammengefaßt sind, treten vor allem im Dauerbetrieb Wärmeprobleme auf, da sich die dicht gepackten Spulen gegensei tig aufheizen und die nutzbare Oberfläche zur Wärmeabstrahlung reduziert wird. Kommt dann noch die Verlustwärme der Kontroll- und Steuerelektronik hinzu, so besteht die Gefahr, daß die zu lässigen Temperaturgrenzen der Magnetventile bzw. Magnetspulen erreicht oder überschritten werden. Andererseits geht eine Re duzierung der Spulenleistung und eine Vergrößerung der Vorsteu erstufen negativ in das Schaltverhalten der Magnetventile ein. Eine Reduzierung der zulässigen maximalen Umgebungstemperatur engt die Einsatzgebiete ein und wird vom Markt nicht akzep tiert. Das gleiche gilt für eine aktive Kühlung durch Gebläse.Especially when solenoid valves or solenoid coils to valve groups are summarized, occur especially in continuous operation Heat problems because the tightly packed coils oppose each other heat up and the usable surface for heat radiation is reduced. Then comes the heat loss from the control and control electronics, there is a risk that the permissible temperature limits of the solenoid valves or solenoid coils reached or exceeded. On the other hand, there is a re reduction of the coil power and an increase of the input tax classify negatively in the switching behavior of the solenoid valves. A reduction in the permissible maximum ambient temperature narrows the areas of application and is not accepted by the market animals. The same applies to active cooling by fans.
Eine elektronische Stromabsenkung, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 37 41 619 oder der DE-GM 296 00 866 bekannt ist, ver bleibt somit als einzige Möglichkeit, einerseits die notwendige mechanische Kraft weiterhin aufzubringen und andererseits gleichzeitig die Verlustwärme des Magnetventils zu senken. Das Prinzip der Stromabsenkung beruht darauf, daß während der An zugsphase eine Hochstromphase (Anzugsstrom) die notwendige me chanische Anzugskraft garantiert, um die neue angestrebte Ven tilstellung zu erreichen. Ist die neue Endlagenposition er reicht, wird der Strom auf ein Niveau abgesenkt, das noch das Beibehalten der erreichten Stellung in jedem Fall garantiert.An electronic power cut, such as from DE-OS 37 41 619 or DE-GM 296 00 866 is known, ver thus remains the only option, on the one hand, the necessary one continue to apply mechanical force and on the other hand at the same time to reduce the heat loss of the solenoid valve. The The principle of current reduction is based on the fact that during the on pull phase a high current phase (pull-in current) the necessary me chanic force guaranteed to meet the new target Ven reach position. Is the new end position enough, the current is reduced to a level that is still that Guaranteed to maintain the position reached in any case.
Bei den bekannten Schaltungsanordnungen wird zur Herabsetzung des Anzugsstroms ein diesem entsprechender Nominalstrom mittels eines Oszillators bzw. Frequenzgenerators getaktet. Dies be dingt einen nicht unerheblichen Schaltungsaufwand bei entspre chend hohen Herstellungskosten. Bei einem derartigen Schal tungsaufwand liegt auch ein nicht unerheblicher Platzbedarf vor. Weiterhin besteht bei getakteten Schaltstufen die Gefahr von unerwünschten Störsignalen.In the known circuit arrangements for reduction of the starting current by means of a nominal current corresponding to this an oscillator or frequency generator clocked. This be entails a not inconsiderable amount of circuitry in correspondence high manufacturing costs. With such a scarf ting effort is also a not inconsiderable space requirement in front. There is also a risk with clocked switching stages of unwanted interference signals.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ab senkung des Haltestroms bei möglichst geringem Schaltungsauf wand und geringstmöglichem Platzbedarf und Kostenaufwand zu er reichen.An object of the present invention is to provide an Ab Reduction of the holding current with the lowest possible circuit opening wall and the smallest possible space and cost pass.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß parallel zur Schaltstrecke des nach dem vorgebbaren Zeitintervall durch das Zeitglied vom stromleitenden in den gesperrten Zustand um geschalteten Halbleiterschalters ein Strombegrenzungswiderstand geschaltet ist.This object is achieved in that parallel to the switching distance of after the predefinable time interval the timer from the current-carrying to the locked state switched semiconductor switch a current limiting resistor is switched.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird bei einer einfachsten Ausführung lediglich ein Halbleiterschalter als einziges aktives Bauelement benötigt. Die Stromabsenkung er folgt durch den Strombegrenzungswiderstand, der in der Halte stromphase in Reihe zur Magnetspule geschaltet ist. Durch das einzige Halbleiterelement, das durch Überspannungen beschädigt werden könnte, kann eine sehr geringe Ausfallrate der Bauteile erreicht werden, und durch geeignete Schutzelemente ist diese einzige Schwachstelle leicht zu beherrschen. Die erfindungsge mäß sehr einfache Schaltung kann sehr kleinvolumig und kosten günstig hergestellt werden. Da die Schaltung quasi statisch ar beitet, ist sie auch keine Quelle von elektromagnetischen Stö rungen.In the circuit arrangement according to the invention, a simplest version as a semiconductor switch only active component required. The current cut he follows through the current limiting resistor that is in the hold current phase is connected in series to the solenoid. By the only semiconductor element that is damaged by surge voltages could be a very low failure rate of the components can be achieved, and by means of suitable protective elements only weak point easy to master. The fiction Very simple circuit can be very small and costly are manufactured cheaply. Since the circuit is quasi statically ar processed, it is not a source of electromagnetic interference stanchions.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Schaltungsanordnung möglich. By the measures listed in the subclaims advantageous developments and improvements in the claim 1 specified circuit arrangement possible.
Die aus der Magnetspule und dem Halbleiterschalter bestehende Reihenschaltung ist zweckmäßigerweise mit vom Schaltsignal be aufschlagbaren Anschlüssen der Schaltungsanordnung verbunden, so daß das Schaltsignal gleichzeitig zur Stromversorgung der Schaltungsanordnung und der Magnetspule dient.The one consisting of the magnetic coil and the semiconductor switch Series connection is expediently be with the switching signal openable connections of the circuit arrangement connected, so that the switching signal simultaneously to power the Circuit arrangement and the solenoid serves.
In einer sehr einfachen und daher vorteilhaften Ausbildung des Zeitglieds wird dieses durch eine aus einem Widerstand und ei nem Kondensator bestehende Reihenschaltung gebildet, die paral lel zu der aus der Magnetspule und dem Halbleiterschalter be stehenden Reihenschaltung liegt. Der Verknüpfungspunkt zwischen dem Widerstand und dem Kondensator ist in vorteilhafter Weise mit dem Steueranschluß des Halbleiterschalters verbunden, so daß dieser sowohl einerseits als Umschalttransistor zwischen den beiden unterschiedlichen Stromphasen und andererseits als Bestandteil des Zeitglieds dient. Zweckmäßigerweise bildet da bei die am Widerstand abfallende Spannung die Steuerspannung für den Halbleiterschalter.In a very simple and therefore advantageous training of the This is made of a resistance and an egg Nem existing capacitor circuit formed, the paral lel to that of the solenoid and the semiconductor switch standing series connection. The link between the resistor and the capacitor is advantageous connected to the control terminal of the semiconductor switch, so that this on the one hand as a switching transistor between the two different current phases and on the other hand as Part of the timer serves. Conveniently forms there the control voltage for the voltage drop across the resistor for the semiconductor switch.
Zum Schutz des Halbleiterschalters ist parallel zum Widerstand eine Z-Diode geschaltet, die beispielsweise die an dieser Stelle auftretenden Spannungen auf maximal 15 V begrenzt.To protect the semiconductor switch is parallel to the resistor a zener diode connected, for example, to this Any voltage that occurs is limited to a maximum of 15 V.
Um die Schaltungsanordnung verpolsicher zu machen wird ihr als zusätzlicher Schutz das Schaltsignal über eine Verpolschutzdi ode zugeführt. Zum Schutz gegen hohe Spannungsspitzen und kapa zitive Störungen im Schaltsignal kann noch eine weitere Schutz diode vorgesehen sein, die die mit dem Schaltsignal beauf schlagten Anschlüsse der Schaltungsanordnung überbrückt, und gleichzeitig die Funktion der Freilaufdiode beim Abschalten der Spule erfüllt, wodurch die hohen negativen Spannungsspitzen un terdrückt werden.To make the circuit arrangement protected against polarity reversal, it is used as Additional protection of the switching signal via reverse polarity protection or supplied. To protect against high voltage peaks and kapa citive interference in the switching signal can still provide further protection diode may be provided, which act on the switching signal struck connections of the circuit arrangement bridged, and at the same time the function of the freewheeling diode when the Coil met, causing the high negative voltage peaks un be suppressed.
Eine in Reihe zum Strombegrenzungswiderstand geschaltete Leuchtdiode (LED) dient in vorteilhafter Weise sowohl als Zu standsanzeige, und ihre Verlustleistung ist ein Teil der redu zierten Spulenleistung und tritt nicht zusätzlich im System auf. Die Gesamtverlustleistung teilt sich daher in drei Kompo nenten auf, die der Magnetspule, die des Strombegrenzungswider stands und die der Leuchtdiode. Damit steht zur Wärmeabfuhr eine größere Gesamtoberfläche zur Verfügung.One connected in series to the current limiting resistor Light-emitting diode (LED) advantageously serves both as a closed level indicator, and its power loss is part of the redu graced coil performance and does not occur in the system on. The total power loss is therefore divided into three compos nenten on that of the solenoid, that of the current limitation stands and that of the light emitting diode. This stands for heat dissipation a larger total surface area is available.
Bei Spulenströmen, die den maximal zulässigen LED-Strom über schreiten, ist die Leuchtdiode zweckmäßigerweise durch einen Strom-Bypass überbrückt, der vorzugsweise durch einen als Stromquelle geschalteten Transistor gebildet wird.For coil currents that exceed the maximum permissible LED current step, the light emitting diode is expediently by a Current bypass, which is preferably bridged by a Current source switched transistor is formed.
Als Halbleiterschalter eignet sich ein FET.An FET is suitable as a semiconductor switch.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are shown in the drawing represents and explained in more detail in the following description. Show it:
Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schal tungsanordnung, FIG. 1 is a circuit diagram processing arrangement of a scarf according to the invention,
Fig. 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungs weise und Fig. 2 shows a signal diagram to explain the effect and
Fig. 3 eine mit einem Bypass versehene Leuchtdiode für größere Spulenströme. Fig. 3 shows a bypass light-emitting diode for larger coil currents.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung 10 dient zur Steuerung einer Magnetspule 11, die schematisch mit einem ohm schen und einem induktiven Anteil dargestellt ist. Bei dieser Magnetspule 11 handelt es sich beispielsweise um die Magnet spule eines Magnetventils, jedoch kann die Magnetspule 11 auch für einen sonstigen Elektromagneten oder ein sonstiges Stell glied vorgesehen sein. Diese Magnetspule 11 ist an zwei Aus gangsanschlüsse 12, 13 der Schaltungsanordnung 10 angeschlos sen. An zwei Eingangsanschlüsse 14, 15 der Schaltungsanordnung 10 werden Schaltsignale S für die Magnetspule 11 angelegt. Die Schaltungsanordnung 10 kann somit in die Zuleitungen zu einer Magnetspule 11 auch noch nachträglich geschaltet werden.The circuit arrangement 10 shown in Fig. 1 is used to control a solenoid 11 , which is shown schematically with an ohmic and an inductive portion. This solenoid 11 is, for example, the solenoid of a solenoid valve, but the solenoid 11 can also be provided for another electromagnet or other actuator. This solenoid 11 is connected to two output terminals 12 , 13 of the circuit arrangement 10 ruled out. Switching signals S for the magnetic coil 11 are applied to two input connections 14 , 15 of the circuit arrangement 10 . The circuit arrangement 10 can thus also be subsequently switched into the feed lines to a magnet coil 11 .
Der Eingangsanschluß 14 ist über eine Verpolschutzdiode 16 mit dem Ausgangsanschluß 12 verbunden, und der Eingangsanschluß 15 ist über die Schaltstrecke eines FET 17 mit dem Ausgangsan schluß 13 verbunden, so daß die Magnetspule 11 mit dem FET 17 eine Reihenschaltung bildet. Anstelle eines FET kann prinzipi ell auch ein anderer Schalttransistor oder ein anderer Halblei terschalter eingesetzt werden. The input terminal 14 is connected via a polarity reversal protection diode 16 to the output terminal 12 , and the input terminal 15 is connected via the switching path of a FET 17 to the output terminal 13 , so that the solenoid 11 forms a series circuit with the FET 17 . Instead of an FET, another switching transistor or another semiconductor switch can in principle also be used.
Parallel zur Schaltstrecke des FET 17 liegt die Reihenschaltung einer Leuchtdiode (LED) 18 mit einem Strombegrenzungswiderstand 19.The series connection of a light-emitting diode (LED) 18 with a current limiting resistor 19 is parallel to the switching path of the FET 17 .
Parallel zu der aus der Magnetspule 11 und dem FET 17 bestehen den Reihenschaltung liegt eine weitere, aus einem Kondensator 20 und einem Widerstand 21 bestehende Reihenschaltung, zu der wiederum eine Schutzdiode 22 als Schutz gegen kapazitive Stö rungen und eingangsseitige hohe Spannungsspitzen parallelge schaltet ist, die auch als Freilaufdiode für die Spule fun giert. Der Verknüpfungspunkt zwischen dem Kondensator 20 und dem Widerstand 21 ist mit dem Gate des FET 17 verbunden. Dabei überbrückt der Widerstand 21 die Gate-Source-Strecke des FET 17. Parallel zum Widerstand 21 liegt eine Spannungsbegrenzungs diode 23, die zum Schutz des FET 17 dessen Gate-Source-Spannung auf beispielsweise maximal 15 V begrenzt.In parallel to the series circuit consisting of the magnetic coil 11 and the FET 17 there is another series circuit consisting of a capacitor 20 and a resistor 21 , to which in turn a protective diode 22 is connected in parallel as protection against capacitive interference and high voltage peaks on the input side, which also functions as a freewheeling diode for the coil. The node between capacitor 20 and resistor 21 is connected to the gate of FET 17 . Resistor 21 thereby bridges the gate-source path of FET 17 . In parallel with the resistor 21 there is a voltage limiting diode 23 , which limits its gate-source voltage to, for example, a maximum of 15 V in order to protect the FET 17 .
In einem einfacheren Ausführungsbeispiel kann auch auf die Di oden 16 und 23 verzichtet werden, sofern beispielsweise keine Spannungsspitzen oder Verpolungen auftreten können und sofern die Versorgungsspannung geringer als die maximal zulässige Gate-Source-Spannung ist.In a simpler embodiment, the diodes 16 and 23 can also be dispensed with, provided, for example, that no voltage peaks or polarity reversals can occur and if the supply voltage is less than the maximum permissible gate-source voltage.
Auch auf die Leuchtdiode 18 kann bei einer einfachen Ausführung verzichtet werden.The light-emitting diode 18 can also be dispensed with in a simple embodiment.
Die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei spiels wird im folgenden anhand des in Fig. 2 dargestellten Signaldiagramms erläutert. Wird ein Schaltsignal S an die Klem men 14, 15 angelegt, so ist der FET 17 zunächst stromleitend, und es baut sich ein Spulenstrom Is als Nominalstrom der Ma gnetspule 11 auf. An der Magnetspule 11 liegt dabei die größt mögliche Spannung Us. Dieser hohe Spulenstrom Is zu Beginn ge währleistet ein sicheres Schalten beispielsweise eines mit der Magnetspule 11 versehenen Magnetventils.The mode of operation of the embodiment shown in FIG. 1 is explained below with reference to the signal diagram shown in FIG. 2. If a switching signal S is applied to the terminals 14 , 15 , the FET 17 is initially conductive, and a coil current Is builds up as the nominal current of the magnetic coil 11 . The greatest possible voltage Us is applied to the magnet coil 11 . This high coil current Is at the beginning ensures a safe switching, for example of a solenoid valve provided with the solenoid 11 .
Im folgenden lädt sich nun der Kondensator 20 über den Wider stand 21 auf, bis die Spannung am Widerstand 21 so weit abge fallen ist, daß der FET 17 sperrt. Dies erfolgt zum Zeitpunkt t1. Sowohl der Spulenstrom Is, wie auch die Spulenspannung Us sinken nun auf einen deutlich niedrigeren Wert ab, d. h. es fließt jetzt nur noch ein Haltestrom durch die Magnetspule 11, durch die der erreichte Schaltzustand aufrechterhalten wird. Dieser reduzierte Haltestrom wird dadurch erreicht, daß nach dem Sperren des FET 17 der Spulenstrom nun durch den Strombe grenzungswiderstand 19 fließen muß. Gleichzeitig wird die Leuchtdiode 18 eingeschaltet und zeigt des eingeschalteten Zu stand der Magnetspule 11 an. Der Kondensator 20 bildet daher zusammen mit dem Widerstand 21 und dem FET 17 ein Zeitglied, das die Dauer der anfänglichen Hochstromphase bzw. des Anzugs stroms in der gewünschten Weise begrenzt. Gleichzeitig dient der FET 17 zur Umschaltung zwischen dem vollen Spulenstrom und dem durch den Strombegrenzungswiderstand 19 reduzierten Spulen strom in der Haltestromphase. Mit dem Ende des Schaltsignals S bricht auch die Spulenspannung zusammen und der Spulenstrom Is reduziert sich bis zum Wert 0. In the following now the capacitor charges 20 on the opposing stand 21, until the voltage across the resistor 21 so far abge noticed that the FET blocks 17th This takes place at time t1. Both the coil current Is and the coil voltage Us now drop to a significantly lower value, ie there is now only a holding current flowing through the solenoid 11 , by means of which the switching state reached is maintained. This reduced holding current is achieved in that after blocking the FET 17 the coil current must now flow through the current limiting resistor 19 . At the same time, the light emitting diode 18 is turned on and shows the on state of the solenoid 11 . The capacitor 20 therefore forms, together with the resistor 21 and the FET 17, a timing element which limits the duration of the initial high-current phase or the pull-in current in the desired manner. At the same time, the FET 17 is used to switch between the full coil current and the coil current reduced by the current limiting resistor 19 in the holding current phase. With the end of the switching signal S, the coil voltage also collapses and the coil current Is is reduced to the value 0.
Die in Fig. 3 dargestellte Abwandlung ersetzt die Leuchtdiode 18 gemäß Fig. 1 für den Fall, daß der Spulenstrom durch die Magnetspule 11 den maximal zulässigen Strom durch die Leuchtdi ode 18 überschreitet. Aus diesem Grunde ist die in Reihe zu ei nem Widerstand 24 geschaltete Leuchtdiode 18 durch die Schalt strecke eines Transistors 25 überbrückt, wobei der Verknüp fungspunkt zwischen der Leuchtdiode 18 und dem Widerstand 24 mit der Basis des Transistors 25 verbunden ist. Der Transistor 25 ist dadurch als Stromquelle geschaltet, durch die ein By pass-Strom an der Leuchtdiode 18 vorbei gebildet wird, um den Leuchtdiodenstrom auf das zulässige Maß zu reduzieren.The modification shown in FIG. 3 replaces the light-emitting diode 18 according to FIG. 1 in the event that the coil current through the magnet coil 11 exceeds the maximum permissible current through the LED 18 . For this reason, the LED 18 connected in series to a resistor 24 is bridged by the switching path of a transistor 25 , the node between the LED 18 and the resistor 24 being connected to the base of the transistor 25 . The transistor 25 is thereby connected as a current source, by which a bypass current is formed past the light-emitting diode 18 in order to reduce the light-emitting diode current to the permissible level.
Durch die in Folge der geringen Zahl von Bauelementen erreich bare kleine Baugröße der Schaltungsanordnung kann diese bei spielsweise in einem Stecker für eine Magnetspule bzw. ein Ma gnetventil untergebracht werden.Due to the low number of components Bare small size of the circuit arrangement can this for example in a connector for a magnetic coil or a Ma solenoid valve.
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